開頂式氣室盆栽培養(yǎng)小麥co

開頂式氣室盆栽培養(yǎng)小麥co

植物植物適應現(xiàn)象與同化產(chǎn)物積累的反饋抑制和源庫關(guān)系的重新分配有關(guān)。已經(jīng)證明，在氣候co2濃度上升后，核糖1和5-二磷酸萘（ubicai）的含量和活性降低，以及通過光合作用電子傳遞鏈中的質(zhì)化酶（p22）氧化還原信號對植物的影響。此外，添加氮素的小麥、豆類和其他c3植物的輪作不適應。另一方面，增加施氮量可以調(diào)節(jié)植物體內(nèi)c-c1n、源基的關(guān)系，以及減少同化產(chǎn)物的積累。另一方面，氮的增加與對植物基本相同的微帶的反應相比增加施氮量有關(guān)。另一方面，增加施氮量可以提高植物體內(nèi)的氮含量和活性，這會提高秋海棠的再生能力和最大的電子流率。因此，通過調(diào)整植物光合作用中羥基材料和光合電子的分配和運行，可以影響植物在高氣候2號濃度下的光合作用適應性。然而，目前還沒有關(guān)于高氣候2號植物葉片光譜電子流的傳遞、分布和硝基反應的系統(tǒng)報告。本研究采用植物和小麥作為材料，在開孔腔的氣室內(nèi)設定不同的單氮濃度和氮素水平，測量葉片ps-反應中心的電子流在光化學和光化學呼吸率、分配和光化學電子流中的傳輸速度。結(jié)果表明，在高氣候2號濃度下，小麥旗葉光合能量分配的影響，以及高氣候2號飲料的最佳誘導機制及其氮素的調(diào)節(jié)機制。1材料和方法1.1試驗設計與流程試驗于2009年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)部西北作物抗旱栽培與耕作重點開放實驗室試驗場(甘肅蘭州)進行.供試土壤為黃麻土,全氮含量為1.1g·kg-1,水解氮為118.43mg·kg-1,有機質(zhì)為13.2g·kg-1,土壤田間持水量為23.8%.試驗采用盆栽方式進行,盆高45cm,盆口直徑25cm,每盆裝干土8kg.試驗品種為寧春4號小麥,將經(jīng)過精選的小麥種子(籽粒飽滿,大小基本一致,子葉完整)用3%的雙氧水消毒5min后,用去離子水沖洗干凈播種,每盆定植15株.采用雙因素完全隨機設計,設400μmol·mol-1(自然大氣CO2濃度,AC)、760μmol·mol-1(升高大氣CO2濃度,EC)2個大氣CO2濃度及不施氮(N0)、施純氮200mg·kg-1(N200)2個氮素水平.每處理10盆,共40盆.磷素施肥量為P2O50.08g·kg-1土,水分控制在田間持水量的85%,每天用稱量法確定水分補充量.試驗在2個大田開頂式氣室(opentopchamber,OTC)內(nèi)進行,氣室面積2.8m×3m,高2.5m.對照(AC)氣室CO2濃度不進行控制(8:00、12:00和20:00氣室內(nèi)CO2濃度平均值為400±28μmol·mol-1),模擬高大氣CO2濃度氣室用8根輸氣管道在距地面30cm處將CO2均勻分布于整個室內(nèi),并通過頂部開放處將CO2排出,進行空氣和CO2循環(huán).CO2濃度升高系統(tǒng)由1個與CO2濃度監(jiān)測儀(ADCLtd.,UK)相連接的壓縮CO2鋼瓶(液態(tài)CO2,純度為99.99%,核工業(yè)504工廠提供)組成,監(jiān)測儀通過控制閥門24h監(jiān)測和調(diào)節(jié)CO2濃度變化,并將換氣扇電源與控制閥門相連,使CO2供氣與空氣循環(huán)同步進行,室內(nèi)風速小于0.5m·s-1.氣室內(nèi)光源為自然光,溫度通過頂部氣體流通和換氣扇氣體交換控制在外界溫度±1.5℃,對照氣室內(nèi)的平均溫度和相對濕度分別為28.1℃/20.3℃(白天/夜間,下同)和42.4%/67.9%,溫度范圍在15.3℃~33.5℃(白天)和8.5℃~25.8℃(夜間);處理氣室內(nèi)的平均溫度和相對濕度分別為28.3℃/20.4℃和42.6%/68.1%,溫度范圍在16.2℃~34.1℃(白天)和8.5℃~26.1℃(夜間),氣室內(nèi)溫、濕度用干濕溫度計進行測定.1.2測量設計和方法1.2.1旗葉光合速率pn的測定在小麥抽穗期選擇晴天,用Li-6400型光合作用測定系統(tǒng)(Li-Cor,USA)于8:30-11:30測定旗葉光合速率(Pn).選擇紅藍光源,光強1000μmol·m-2·s-1,在高大氣CO2濃度開頂式氣室控制葉室CO2濃度為760μmol·mol-1,正常大氣CO2濃度開頂式氣室葉室CO2濃度控制在400μmol·mol-1,葉室溫度(25±0.5)℃,樣品室濕度(75±7)%,5次重復.1.2.2檢測時間在小麥抽穗期選擇晴天,用Li-6400型光合作用測定系統(tǒng)(Li-Cor,USA)于8:30-11:30采用自動方法測定,選擇紅藍光源葉室,3次重復,每次測定連續(xù)3d,為消除誤差,各處理的測定時間在3d內(nèi)進行交叉.測定氣體流速5ml·min-1,葉室溫度(25±0.5)℃,樣品室濕度(75±7)%;曲線測定的CO2濃度分別為0、50、100、150、200、250、300、400、600、800、1000μmol·mol-1;測定時最大測定時間180s,最大匹配時間120s,最小匹配時間60s.每處理選擇長勢均一植株的旗葉進行測定.1.2.3熒光動力學參數(shù)測定在測定光呼吸的同時,選擇相近的葉片用FMS-2.02型便攜式熒光儀(Hansatech,UK)測定旗葉初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ光化學效率(Fv/Fm)及PSⅡ光合電子傳遞量子效率(ΦPSⅡ)等熒光動力學參數(shù).測定前葉片暗適應30min,先照射檢測光(<0.05μmol·m-2·s-1),再照射飽和脈沖光(6000μmol·m-2·s-1),測定Fv/Fm后,葉片在正常光照下適應30min,然后打開熒光儀內(nèi)源光化光(actiniclight,1000μmol·m-2·s-1)3min后測定ΦPSⅡ.每處理選取5盆,每盆選取1株小麥葉片測定,即重復測定5次.1.2.4c-vcph值摘取已測定光合速率的葉片,70℃烘干至恒量,研磨成粉末.利用濕法消化和TOC-VCPH氮分析儀(Schimado,Japan)測定氮含量;葉綠素用80%的丙酮浸提,于UV-Vis分光光度計(Lambdas25,PerkinElmerInc.,USA)比色測定.葉片氮素和葉綠素濃度測定均為3個重復.1.2.5光催化作用參數(shù)通過PSⅡ的葉片非環(huán)式總電子傳遞速率(JF)參照Krall和Edward提出的公式計算:JF=ΦPSⅡ·I·a·f.其中:ΦPSⅡ是PSⅡ光化學效率,為實際測定值;I是入射于葉面的光強(PAR=1000μmol·m-2·s-1);a是葉片吸收光強占入射光強的比例,通常為80%;f是光能在PSⅡ的分配比例,C3植物一般為50%.參與光呼吸的非環(huán)式光合電子流(J0)和碳還原的非環(huán)式電子流(JC)按Epron等的公式計算:J0=2/3[JF-4(Pn+Rd)];JC=1/3[JF+8(Pn+Rd)].式中:Pn為凈光合速率;Rd為光呼吸速率,為光下Ci為0時的Pn絕對值(μmolCO2·m-2·s-1).Rubisco的氧化速率(V0)和羧化速率(VC)按DiMarco等的方法計算:JF=4VC+6V0;VC=Pn+Rd+0.5V0.1.3處理數(shù)據(jù)采用SPSS12.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析,并用LSD法進行多重比較.2結(jié)果與分析2.1增氮與寬乳手術(shù)對小麥葉片葉綠素濃度和葉綠素a/b的影響高大氣CO2濃度(EC)處理的小麥葉片氮素和總?cè)~綠素濃度較正常大氣CO2濃度(AC)處理顯著降低(表1),其中在N0條件下分別降低了18.1%和15.1%,在N200條件下分別降低了16.0%和19.4%.N200處理的小麥葉片氮濃度和葉綠素濃度較N0處理顯著提高,其中在EC下分別提高了37.0%和26.3%,在AC下分別提高了89.0%和30.9%.在N200條件下,EC處理的葉片葉綠素a/b較AC處理顯著提高,而在N0條件下EC與AC處理之間無顯著差異.表明增氮促進了小麥葉片氮代謝,而提高大氣CO2濃度削弱了小麥葉片氮代謝,并在氮源相對豐裕的條件下有利于小麥葉片葉綠素a的合成.2.2施氮對小麥葉片ps和n00的影響小麥葉片葉綠素熒光參數(shù)在不同大氣CO2濃度和施氮處理下的變化見圖1.EC和N200處理對小麥葉片最大光化學效率(Fv/Fm)無顯著影響.光適應下小麥N0處理葉片PSⅡ反應中心最大量子產(chǎn)額(Fv′/Fm′)因大氣CO2濃度升高而降低,但N200條件下不同大氣CO2濃度之間的Fv′/Fm′無顯著差異;施氮后小麥葉片F(xiàn)v′/Fm′升高,并在EC條件下達顯著差異.N200條件下小麥葉片PSⅡ反應中心實際光化學效率(ΦPSⅡ)在兩種大氣CO2濃度下無顯著差異,而N0條件下EC處理的小麥葉片ΦPSⅡ顯著低于AC;兩種大氣CO2濃度下,施氮均能顯著提高小麥葉片ΦPSⅡ.EC處理對小麥葉片PSⅡ反應中心的開放比例(qP)無明顯影響,AC處理下施氮能顯著提高小麥葉片qP,而EC處理下N0與N200間無顯著差異.N0條件下小麥葉片非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)在EC處理下顯著增加,而N200條件下小麥葉片NPQ則明顯下降,增施氮素能顯著降低小麥葉片光合能量的非光化學能量耗散.大氣CO2濃度升高后,N200條件下小麥葉片F(xiàn)v/Fm、Fv′/Fm′、qP無明顯變化,盡管NPQ顯著降低,但ΦPSⅡ無顯著升高;N0條件下小麥葉片F(xiàn)v/Fm和qP在EC處理下無明顯變化,但其Fv′/Fm′顯著降低,NPQ明顯增加,ΦPSⅡ明顯下降,因此,缺氮不僅使EC處理的小麥葉片PSⅡ反應中心接受光合電子的“容量”顯著減小,而且其實際效能也明顯下降,促進了光合能量的熱耗散.施氮對EC處理的小麥葉片PSⅡ反應中心接受光合電子的“容量”無明顯影響,但促進了PSⅡ反應中心的開放比例和實際光化學效率,并降低了熱耗散比率,這有利于增加光合電子向光化學方向的分配,但N0條件下小麥葉片PSⅡ反應中心接受光合電子的“容量”、開放比例和光化學效率降低,使熱耗散能耗增加,限制了光合電子向光化學方向的分配,所以在CO2濃度降低的條件下光合速率顯著降低,這可能是高大氣CO2濃度下小麥光合作用下調(diào)的機制之一.2.3施氮素對小麥葉片jf和n0的影響小麥葉片通過PSⅡ的葉片非環(huán)式總電子傳遞速率(JF)受大氣CO2濃度和氮素水平的顯著影響(圖2).小麥葉片JF在不同大氣CO2濃度間的變化因氮素水平而異,N200條件下小麥葉片JF在EC與AC處理間無顯著差異,而N0條件下則顯著降低.EC處理下,N200條件下小麥葉片JF較N0增加了36.4%,AC處理下的增了12.5%,增施氮素能顯著提高小麥葉片光合電子在PSⅡ反應中心的傳遞速率,大氣CO2濃度升高后這一作用更加顯著.因此,在EC處理下,小麥葉片JF受氮素水平的顯著影響,增施氮素促進了光合電子通過PSⅡ反應中心向光化學方向的傳遞,而缺氮則顯著降低了小麥葉片PSⅡ反應中心的光合電子傳遞速率.EC處理提高了小麥葉片參與碳還原的非環(huán)式電子流傳遞速率(JC),并在N200條件下達到顯著差異;增施氮素能明顯提高JC,而且在EC處理下的增幅較大(圖2).小麥葉片參與光呼吸的非環(huán)式電子流傳遞速率(J0)在EC處理下顯著降低,EC處理下N200的J0高于N0,但在AC處理下二者無顯著差異.說明大氣CO2濃度升高抑制了光呼吸耗能,并促進了光合電子向光化學方向的傳遞.2.4施氮素對多元共機溶劑處理下小麥葉片光合電子的v0EC處理的小麥葉片Rubisco羧化速率(VC)高于AC處理(圖3),而且在N200條件下達顯著差異;與AC處理相比,N200、N0條件下分別增加了28.3%和7.5%.無論大氣CO2濃度是否增加,N200條件下VC均顯著高于N0,在EC和AC處理下分別提高了45.4%和21.8%,表明增施氮素使更多的光合電子進入Rubisco羧化反應.在大氣CO2濃度升高條件下,小麥葉片光合電子的Rubisco羧化傳遞速率顯著增加,而且增施氮素后這一作用進一步加強.與AC處理相比,EC處理的小麥葉片Rubisco氧化速率(V0)顯著降低(圖3),N200、N0條件下分別降低了20.7%和66.7%.施氮對V0的影響在不同大氣CO2濃度下表現(xiàn)不同,EC處理下N200的V0較N0增加了24.8%,達到顯著差異,AC處理下二者無顯著差異.EC處理下小麥葉片光合電子的Rubisco加氧反應分配被抑制,但增施氮素促進了光合電子的Rubisco氧化傳遞速率,而AC處理下增施氮素對小麥葉片Rubisco氧化速率無明顯影響.2.5第二,受氧化合物氧化/光呼吸方向上的應用,主要在于大氣coJ0/JC反映了光合電子在光化學和光呼吸方向的分配比例.不同氮素水平對小麥葉片J0/JC的影響不顯著,但大氣CO2濃度升高條件下J0/JC顯著下降(圖4).與AC處理相比,EC處理N200、N0條件下的J0/JC分別降低了72.7%和90.6%.氮素水平和大氣CO2濃度對小麥葉片J0/JC有明顯的互作效應,高大氣CO2濃度下N0處理的J0/JC最低.氮素對小麥葉片光合能量在光化學和光呼吸方向的分配比例無顯著影響,但大氣CO2濃度升高抑制了小麥葉片光呼吸耗能,促使更多的光合電子進入碳還原過程.EC處理的小麥葉片Rubisco氧化/羧化(V0/VC)顯著降低(圖4),與AC處理相比,N200、N0條件下分別降低了55.6%和81.6%.氮素對小麥葉片V0/VC的影響因大氣CO2濃度而異,EC處理的N200葉片較N0降低了5.6%,二者無顯著差異;AC處理的N200葉片較N0降低了23.2%,達到顯著差異.EC處理降低了光合電子在Rubisco氧化反應的消耗比例,促使更多的光合電子向羧化方向傳遞;EC處理下施氮對光合電子傳遞在Rubisco氧化/羧化上的分配比例無顯著影響,而AC處理下施氮則可顯著降低光合電子傳遞在Rubisco氧化的比例,使較多的電子流進入羧化反應.2.6ac處理下n00的比較EC處理下,小麥葉片光合速率(Pn)在N200條件下較N0增加了45.3%;AC處理下,N200較N0增加了33.9%(圖5);N200條件下,EC處理的小麥葉片Pn較AC處理增加了46.5%,N0條件下,AC處理較EC處理增加了35.0%,高大氣CO2濃度和高N處理對小麥葉片Pn的增加具有正協(xié)同效應.3施氮素對黑/灰合反應的影響植物葉片吸收的光能被天線色素激發(fā)為電能后,主要以光化學反應、熱耗散和熒光3種形式耗散;分配在光化學反應方向的光合電子流主要直接用于4個方面:碳同化、光呼吸、氧的還原反應(Mehler反應)和氮代謝.大氣CO2濃度升高后,C3植物的PSⅡ反應中心最大電子傳遞速率(Jmax)在缺氮條件下顯著降低,楊樹在葉片氮濃度和葉綠素濃度不變的條件下,Jmax增加15%,所以,氮素對高大氣CO2濃度下植物光合作用的電子傳遞速率有顯著影響.本試驗結(jié)果表明,高大氣CO2濃度下小麥葉片氮濃度、葉綠素濃度均明顯下降,葉片激發(fā)能更多地以熱的形式耗散,但增施氮素能顯著提高葉片氮濃度和葉綠素濃度,高氮葉片的PSⅡ反應中心Fv/Fm、Fv′/Fm′、qP和ΦPSⅡ在大氣CO2濃度升高后無明顯變化,NPQ顯著降低;低氮葉片的Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和NPQ在高大氣CO2濃度下顯著降低,Fv/Fm和qP無明顯變化.因此,高大氣CO2濃度下增施氮素使小麥葉片激發(fā)能的非光化學猝滅被抑制,促進了PSⅡ反應中心的開放比例,提高了實際光化學效率,使更多的光合電子進入光化學過程.光合電子在PSⅡ反應中心向光合碳同化和光呼吸方向的分配受環(huán)境條件的顯著影響.大氣CO2濃度升高后小麥葉片JC增加,并在高氮處理達到顯著差異;而J0顯著降低,葉片的光呼吸被抑制;J0/JC明顯下降,更多的光合電子被分配至光合碳同化過程.雖然增施氮素使高大氣CO2濃度下小麥葉片J0升高,但JC的增幅更高,更多的光合電子傳遞至光化學反應.因此,大氣CO2濃度升高后抑制了光呼吸耗能而促進了光合電子向光化學方向的傳遞,施氮后JC的增幅更為明顯.進入Rubisco的光合電子分配受Rubisco含量、活性和RUBP再生的影響,高大氣CO2濃度下C3植物光合作用的適應性下調(diào)主要由Rubisco含量、活性和RUBP再生的限制所引起,所以進入Rubisco的光合電子流在羧化和氧化反應的分配對光合作用的適應性下調(diào)有直接影響.大氣CO2濃度升高后小麥葉片V0和V0/VC顯著降低;高氮葉片VC在高大氣CO2濃度下顯著高于正常大氣CO2處理,而低氮葉片VC在兩種大氣CO2濃度下無明顯變化;施氮能提高小麥葉片VC和V0,但在正常大氣CO2濃度下,V0在兩個氮素水平間無顯著差異.小麥高氮葉片的V0/VC在高大氣